人造蛛丝完胜天然蛛丝

◎本报记者 陈曦

天然蛛网上有两类蛛丝,一种是与高等级合金钢抗拉伸强度相当的蛛丝,即蛛网上的经线,具有很高的韧性。另一种是黏附型蛛丝,即蛛网上的纬线,用于捕获猎物。

南开大学教授刘遵峰,中国科学院院士、东华大学教授朱美芳,中国药科大学副教授周湘组成的联合团队,研发出一种皮层带有类皮肤的褶皱结构的人造蛛丝,强度达到1.61吉帕斯卡,韧性达到466兆焦/立方米,超过了自然界中强度最高的达尔文树皮蛛的蛛丝。联合团队同时研发出一种仿生黏附型人造蛛丝,其强度和韧性超过了天然的黏附型蛛丝。该人造蛛丝还可以传输电信号,表现出类似神经元的功能,有望用于神经修复、植入式电极、人机交互等。这两项成果近日发表于国际期刊《先进材料》。

最强韧人造蛛丝刷新世界纪录

一直以来,制备人造蛛丝的常用方法是采用蛛丝蛋白或者重组蛋白进行纺丝,但是其力学性能与天然蛛丝相去甚远。“这是因为天然蛛丝经过亿万年的进化,形成了精细而独特的微纳多尺度结构。”刘遵峰介绍,当前,世界上报道的强度最高的天然蛛丝是在马达加斯加岛上发现的达尔文树皮蛛的蛛丝,其强度可达1.6吉帕斯卡,韧性可达350兆焦/立方米。

刘遵峰团队创新性地提出了采用独特的凝胶纺丝方法制备人造蛛丝,近年来取得了系列突破性进展,不断将人造蛛丝的性能推进到新的高度。如刘遵峰团队提出了采用凝胶牵伸纺丝的方法,制备了具有捻曲—核壳结构的人造蛛丝,强度可达0.9吉帕斯卡,韧性可达370兆焦/立方米。

受自然界中材料具有取向性的启发,此次联合团队研发出一种表层带有类皮肤褶皱结构的人造蛛丝。刘遵峰解释说,很多材料的取向(分子链、纳米纤维等沿一个方向平行排列)不是均匀的,比如树木、皮肤、牙齿等,它们的核心层和表层的取向方向是相互垂直的。这有利于在提高水平方向强度的同时,抵抗来自垂直方向的冲击,使得具有这种结构的材料更加强韧。类皮肤的褶皱结构就是把平行排列的结构做成褶皱形状,以提高在不同方向上的抗冲击能力,使这种人造蛛丝强度达到1.61吉帕斯卡,韧性达到466兆焦/立方米。

仿生黏附型人造蛛丝可传输生物电信号

受神经元在生物体内传输的启发,科学家致力于研发人工神经纤维及器件并应用于柔性电子、智能设备和神经态计算机等领域。

蜘蛛的黏附型蛛丝表现出高强度和高韧性,以及高黏附性。通过模仿黏附型蜘蛛丝的分子结构和纺丝过程,人们已经开发出了各种力学性能优异的水凝胶纤维。下一步,将黏附性和离子导电性引入水凝胶纤维中,人们或将开发出具有优异黏附性、力学强度和信号传输功能的人工神经纤维。

“然而要实现力学性能和电学性能的良好结合,主要挑战在于如何在连续纺丝的基础上调节人工纤维分子间的相互作用和分级结构。”朱美芳介绍。

联合团队基于PrDA水凝胶纤维,开发了一种用于生物电信号传输的可纺黏性导电人造蛛丝材料。该人造蛛丝的两性离子聚合物链间的静电相互作用保证了优异的牵引纺丝能力、力学性能和对不同类型表面的黏附性能。同时,该人造蛛丝显示出良好的离子导电性,是捕捉人体生物电信号并传输到检测仪器的理想界面材料。此外,将该人造蛛丝用于人工突触晶体管的构建,可实现拟神经信号的可控调控。其未来可应用于生物电极、脑机接口、可穿戴电子设备和神经态计算机等领域。